FLUS-CSLE模型预测黄土高原典型流域不同土地利用变化情景土壤侵蚀

流域土壤侵蚀预测对于了解未来土壤侵蚀发展趋势,制定未来水土保持治理策略具有重要意义。为了提出一种适用于黄土高原地区的易于评估未来不同土地利用管理策略的土壤侵蚀预测方法,该研究基于地形、降雨、土壤、遥感影像数据,完成韭园沟流域2010-2020年的土地利用空间分布解译,并计算历史时期（2010-2020）的土壤侵蚀模数,基于未来土地利用模拟（Future Land Use Simulation,FLUS）模型完成流域2025年土地利用分布状况预测,以此为基础获得未来植被覆盖措施因子和耕作措施因子,结合CSLE模型预测2025年自然发展、经济增长、生态保护3种不同土地利用变化情景下土壤侵蚀状况。结果表明：1）韭园沟流域土地利用类型主要为草地（面积占比62.23%）和林地（28.41%）,其次是耕地、建筑物和水体,在2010-2020年期间土地利用空间分布格局经历了较大变化,林、草地面积增加8.36%,耕地面积减少30.3%。2）流域2010、2015、2020年这3 a间土壤侵蚀模数平均值分别为19.49、15.83、20.7 t/(hm2·a),整体呈现先降低后增加的趋势,不同土地利用类型的土壤侵蚀模数由大到小为耕地（40.56 t/(hm2·a)）、草地（18.79 t/(hm2·a)）、建设用地（10.25 t/(hm2·a)）、林地（8.02 t/(hm2·a)）。3）在积极的生态保护情景下,2025年林、草地面积较自然发展情景基本持平但林地面积比例有所增加,较经济增长情景林、草地面积增加5.06%,耕地面积较自然发展情景增加1.20%,较经济增长情景减少14.73%。4）2025年流域自然发展、经济增长、生态保护情景下土壤侵蚀模数分别为24.3、22.9、18.3 t/(hm2·a)。采取积极的生态保护情景发展模式,建设用地面积适度扩张可以兼顾生态保护和经济发展的需要。该研究为流域未来的土地利用规划以及水土保持治理提供参考。     

黄土高塬沟壑区典型小流域土地利用变化及其对水土流失的影响

 基于水土保持学基本理论并结合RS、GIS技术,以黄土高塬沟壑区典型小流域一杨家沟小流域为主要研究对象,并与未治理的小流域——董庄沟小流域进行对比,以1954—2008年的降水、径流、泥沙以及土地利用变化为基础数据,以水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》为标准,研究杨家沟小流域50多年来的土地利用变化及其对水土流失的影响。结果表明：1)杨家沟小流域自50年代初开始采取水土保持治理措施以来,土地利用发生了较大的变化,林地面积大幅增加;2)杨家沟小流域水土流失状况得到了明显改善,年产流降雨量、年径流量、年输沙量、土壤密度都明显减小,侵蚀强度分级中强烈、极强烈、剧烈侵蚀面积不断减少;3)杨家沟小流域水土流失状况虽然得到了有效控制,但还可以加大治理力度,调整土地利用类型和土地利用结构,部分坡度较大的耕地应严格退耕还林,进一步植树造林,提高未利用地利用率,更加有效地控制水土流失。     

Effects of land use on soil erosion and nitrogen loss in the hilly area of the Loess Plateau,China

This study examines the effects of land use and slope angle on runoff, soil loss and nitrogen loss from hillslopes of the Loess Plateau in China. Farmland, wasteland and four forest treatments (sea buckthorn+poplar, immature sea buckthorn, mature sea buckthorn, and immature Chinese pine) were the types of land use that were compared. The results showed that July was the critical period for runoff, soil loss and nitrogen loss from farmland. Farmland was the most susceptible land use. Sea buckthorn+poplar, immature sea buckthorn, and mature sea buckthorn limited the runoff, soil loss and nitrogen loss. Farmland on slopes over 15 degrees should be abandoned because of the high erosion rate and nitrogen loss. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

黄土丘陵沟壑区坡耕地与草地不同配置方式的侵蚀产沙特征

基于黄土丘陵沟壑区安塞实验站小区实验研究,以4种土地利用组合方式,包括全谷子（a）、2／3谷子-1／3柳枝稷（ab）、2／3谷子-1／3撂荒地（ac）、2／3谷子-1／3苜蓿（ad）,探讨坡耕地与草地不同配置方式的侵蚀产沙特征。结果表明：1）产沙量主要集中在降雨比较集中的7、8月份,高降雨量和高降雨强度是影响产沙量的主要因素;2）组合方式ab、ae、ad与a相比,具有不同程度的减沙效应,其中ac的减沙效应最好;3）随着坡度从100、200变化到25°,各土地利用组合方式的产沙量并不是逐渐增大,而是呈现先增大后减少的趋势,但250坡的产沙量依然大于10°坡的产沙量。研究结果可以为土地利用对水土流失的影响评价提供参考。     

加速土壤侵蚀对养分流失的影响

Soil erosion and nutrient losses on newly-deforested lands in the Ziwuling Region on the Loess Plateau of China were monitored to quantitatively evaluate the effects of accelerated soil erosion, caused by deforestation, on organic matter, nitrogen and phosphorus losses. Eight natural runoff plots were established on the loessial hill slopes representing different erosion patterns of dominant erosion processes including sheet, rill and shallow gully （similar to ephemeral gully）. Sediment samples were collected after each erosive rainfall event. Results showed that soil nutrients losses increased with an increase of erosion intensity. Linear relations between the losses of organic matter, total N, NH4-N, and available P and erosion intensity were found. Nutrient content per unit amount of eroded sediment decreased from the sheet to the shallow gully erosion zones, whereas total nutrient loss increased. Compared with topsoil, nutrients in eroded sediment were enriched, especially available P and NH4-N. The intensity of soil nutrient losses was also closely related to soil erosion intensity and pattern with the most severe soil erosion and nutrient loss occurring in the shallow gully channels on loessial hill slopes. These research findings will help to improve the understanding of the relation between accelerated erosion process after deforestation and soil quality degradation and to design better eco-environmental rehabilitation schemes for the Loess Plateau.     

黄土高原典型流域土壤侵蚀对退耕还林土地利用变化的响应

黄土高原土壤侵蚀严重,为此中国从1999年起实施了大规模的退耕还林工程。为了分析退耕还林土地利用变化对土壤侵蚀的影响,该研究以黄土高原清水河流域为研究区域,将2000—2020年流域退耕还林工程的实施依据主要措施的不同划分为4个阶段,应用RUSLE（revised universal soil loss equation）模型分析土壤侵蚀强度的变化特征,采用情景模拟方法提出一个区分土地利用变化和降雨变化对土壤侵蚀影响程度的算法,判别土地利用变化对土壤侵蚀的影响程度,将土地利用变化分解为土地利用转换和改造2种形式,在剔除降雨变化影响的基础上分析土地利用变化对土壤侵蚀的影响过程。结果表明：1）2000、2005、2011、2014和2020年流域平均侵蚀模数分别为36.21、41.02、24.93、23.72和8.24 t/(hm²·a),土壤侵蚀强度明显下降;土地利用变化和降雨变化对土壤侵蚀的阶段平均影响程度分别为75.23%和24.77%,土地利用变化在流域土壤侵蚀的变化中起了主导作用。2）流域土地利用转换区侵蚀强度的变化直接受转换过程中地类类别变更及所实施主要相关措施差异的影响,改造区侵蚀强度的变化直接受改造过程中所实施主要相关措施的影响。剔除降雨变化的影响后：改造区的阶段平均起始侵蚀模数较转换区高43.47%,其水土流失综合治理的难度总体上大于转换区;转换区侵蚀模数的阶段平均下降量较改造区高50.80%,改造区侵蚀量的阶段合计减少量占流域阶段合计减少量的71.16%,土地利用转换在降低其实施地区土壤侵蚀强度方面发挥了重要作用,而土地利用改造因实施面积较大在减少流域土壤侵蚀总量方面发挥了重要作用。3）剔除降雨变化的影响后,草地侵蚀量的阶段合计变化量占流域阶段合计变化量的70.51%,且草地阶段合计变化量中改造区占67.41%,其变化特别是其改造对流域土壤侵蚀的影响最大。该研究在分析土地利用变化对土壤侵蚀的影响程度和过程方面作了一些尝试,研究结果可为黄土高原退耕还林成果巩固及高质量发展有效措施的制定提供科学依据。     

黄土高原流域土地利用/覆被动态演变及驱动力分析

该文采用土地资源数量变化模型和土地利用/覆被状态指数,研究了甘肃天水罗玉沟流域近20多年来土地利用/覆被的演变及驱动机制。研究结果表明：1986－2004年间,流域内坡耕地急剧减少、梯田迅速增加,林地和果园面积稳步提升。从土地利用类型转移变化看,梯田的转入速度略小于转出速度,为双向高速转换下的平衡状态;而灌木林转入速度小于转出速度,有规模减少的趋势。该地区土地利用类型在前期（1986－1995年）变化程度比后期（1995－2004年）更为剧烈。除特殊的地形地貌和气候因素外,政策、人口增长和经济发展等因素共同驱动土地利用类型的演变,特别实施天然林保护工程和退耕还林工程后,该地区土地利用状况有所好转。     

黄土丘陵区侵蚀土壤质量评价

通过建立侵蚀土壤质量单因素评价模型和综合评价模型,选出了黄土丘陵区适宜的侵蚀土壤质量评价方法,定量评价了该区土地利用方式对土壤质量的影响。结果表明,采用加权综合法对土壤质量进行综合评价能够较好地反映土壤质量的实际情况,敏感地反映土地利用方式变化对土壤质量的影响。应用因子分析法所筛选的8项土壤质量简化评价指标能够很好地反映29项综合评价指标的信息,评价结果具有较高的代表性。拟定了黄土丘陵区侵蚀土壤质量分级标准,将研究区土壤质量分为5级。黄土丘陵区10种土地利用类型间土壤质量差异显著,以天然乔木林地土壤质量最佳,属1级;其次是天然灌木林地和大棚菜地,土壤质量属2级;天然草地土壤质量属于3级,人工乔灌林地土壤质量接近3级;人工草地、撂荒地、农地和果园土壤质量属于4级。     

黄土高原小流域不同坡地利用方式的水土流失特征

坡地是黄土高原水土流失的主要来源,坡地利用方式与水土流失的关系研究是黄土高原水土流失综合治理与植被恢复中的重要基础科学问题。在陕北神木县六道沟小流域内,选择谷子地、黑豆地、退耕撂荒地、荒草地和柠条地等5种利用方式修建标准径流小区,观测了产流产沙状况,分析比较其水土流失特征。结果表明：观测期内谷子、黑豆、退耕撂荒、荒草和柠条等5个小区的产流量分别为2.1、2.2 、1.5、1.2和0.9 m3,径流系数分别为4.1%、4.6%、2.9%、2.4%和1.9%,产流量大小顺序为黑豆＞谷子＞退耕撂荒＞荒草＞柠条,最大产流量为最小值的2.4倍。谷子、黑豆、退耕撂荒、荒草和柠条等5个小区的侵蚀产沙量分别为196.6、228.6、27.2、23.3和10.4 kg,其大小顺序为黑豆＞谷子＞退耕荒草＞天然荒草＞柠条,最大土壤流失量为最小值的22.0倍,表明草灌木等植被类型在保持水土的作用方面要明显高于坡耕地,为评价流域植被恢复的水土环境效应和水土流失治理模式选择提供了基础数据参考。     

黄土高原水蚀风蚀交错带沟岸灌木林地土壤水分变化

选择黄土高原水蚀风蚀交错带典型切沟,采用人工取样和中子仪测定研究了柠条坡地不同坡位土壤水分变化,明确了切沟对沟岸柠条林地土壤水分的影响范围,建立了土壤储水量与距沟沿不同距离之间的关系。结果表明：在黄土高原雨季(7～10月),天然降水对柠条坡地下位的补给深度达到了220 cm,对坡地上位和中位的补给深度分别为180 cm和160 cm。在土壤剖面200 cm深度范围内,坡下位土壤水分含量始终高于坡上位和坡中位,200 cm深度以下,坡地上、中、下位土壤水分趋于一致。切沟对柠条林地土壤水分影响水平宽度达到3～4 m,垂直深度达到6 m以下。沟岸柠条坡地距沟沿不同距离土壤剖面储水量与沟沿距离间的关系可以用线性函数来表达。研究沟岸地距沟沿不同距离的土壤水分变化规律对沟岸地植被的恢复具有重要的科学意义。     

黄土丘陵区不同土地利用方式土壤团粒结构分形特征

土壤团粒、水稳性团粒和微团粒状况是影响土壤结构和性质的重要因素。运用分形理论研究黄土丘陵区纸坊沟流域7种不同土地利用方式土壤团粒结构的分形特征。结果表明：表层土壤团粒的分形维数在1．641—2．114之间,其大小顺序为人工草地〉果园〉坡耕地〉乔木林地〉灌丛〉天然草地〉人工梯田。土壤水稳性团粒的分形维数在1．774～2．384之间,其变化顺序为果园〉乔木林地〉人工草地〉坡耕地〉天然草地〉人工梯田〉灌丛,二者均表现出≥0．25mm粒级土壤团粒含量越低,分形维数越高的规律;分形维数与≥5mm、5～2mm和≥0．25mm粒级的土壤团粒、水稳性团粒呈极显著负相关（P〈0．01）,与〈0．25mm粒级的呈极显著正相关（P〈0．01）;结合团粒结构体破坏率可知,灌丛土壤结构与稳定性最好,其次为天然草地,人工草地最差;表层土壤微团粒结构分形维数在2．360～2．487之间,大小顺序为天然草地〉乔木林地〉坡耕地〉人工梯田〉人工草地〉果园〉灌丛,灌丛有助于促进土壤微结构形成,分形维数与0．25-0．05mm和〉0．001mm粒级土壤微团粒含量呈极显著负相关（P〈0．01）,与〈0．001mm粒级土壤微团粒含量呈极显著正相关（P〈0．01）;下层土壤质地主要与成土母质有关,人为干扰小,3种分形维数间存在显著正相关水平（P〈0．05）,土壤有机质含量与3种分形维数显著负相关（P〈0．05）。土壤团粒结构分形特征可作为土壤评价指标之一,分形理论为土壤结构、性质和评价研究提供了新方法。     

黄土丘陵沟壑区浅沟水流水动力学参数实验研究

浅沟侵蚀是黄土丘陵沟壑区重要的侵蚀类型,浅沟水流的水动力学参数研究是建立浅沟侵蚀物理模型或概念模型的基础。以黄土丘陵沟壑区延安市燕儿沟小流域的坡地为对象,通过野外放水冲刷实验,对浅沟水流的水动力学参数变化特征进行研究。结果表明：浅沟水流属于紊流范围,大多数情况下是急流;在坡度18°左右时,携沙水流的流速最小,阻力最大,此时水流的能量分配在侵蚀与携沙之间达到平衡;浅沟水流在坡度26°左右时流速达到最大,水流功率达到最大,最利于浅沟侵蚀的发生和发展。研究结果可为黄土区浅沟侵蚀物理模型的建立提供理论支撑。     

黄土丘陵沟壑区土地压力及土地利用模式变化

当前人类社会发展给土地资源带来了巨大的压力,建立合理的土地利用模式是缓解土地压力实现区域可持续发展战略的关键,该文以上黄试区为例,针对试区社会、经济和生态可持续发展的用地需求,从粮食生产、经济发展和生态保护三方面构建了土地压力指数定量评价方法,根据不同时期土地利用及社会经济调查数据,分析了上黄试区不同时期土地压力指数和土地利用模式变化过程,结果表明:1982年,上黄试区土地压力指数达到0.738,为重度压力等级,1982-2000年,土地压力大大缓解,2000年土地压力指数降至0.247,为轻度压力等级,2001-2010年,土地压力指数继续下降,达到0.164。在整个研究期间,土地利用模式与土地压力相互作用,不同时期其作用的表现形式存在着明显差异。治理前,由于人口数量的快速增长,土地资源面临巨大的压力,土地利用模式粗放,农业生产力水平较低,土地压力与土地利用模式变化的特点主要表现为人口增长与生产力发展水平极不平衡,资源环境的利用与保护出现了严重的失调,人地矛盾突出;1982-2010年,虽然人口有一定的增长,土地资源面临更大的压力形势,但在科技因素和政策因素的引导和干预条件下,农业生产力水平得到了较大的提升,土地利用模式从粗放向集约转变,实现了粮食增产、经济增收,生态建设也取得了较大的成果,土地资源可持续利用水平不断提高。从土地压力和土地利用模式相互演变的关系来看,人口增长是土地压力的主要来源,而土地生产力水平是缓解土地压力的关键。     

基于GIS的黄土高原生态系统服务价值对土地利用变化的响应及生态补偿

以黄土高原为研究对象,基于GIS技术,采用土地利用转移矩阵、土地利用动态度方法,研究1985-2005年黄土高原地区土地利用变化对生态系统服务价值的影响以及相应的生态补偿标准。结果表明：1）1985-2005年,黄土高原地区土地利用类型主要为草地和农地,占土地利用方式的75％以上,但农地面积总体在减少,林地面积在不断增加;2）聚落为最活跃的土地利用类型,聚落和湿地＋水体呈扩张的发展趋势;3）土地利用变化引起区域生态环境效应,20年间黄土高原地区生态系统服务总价值上涨约0．01％,其中森林增加最多,约为0．09％,农地的生态服务价值下降最多,约为-0．02％,而生态服务功能中,除了与农地和荒漠相关的废物处理和食物生产服务功能下降外,其他生态服务功能均表现为增加;4）根据黄土高原生态系统服务价值,确定该地区的生态补偿标准约为4亿2732万元。     

基于AnnAGNPS模型的黄土高原小流域土壤侵蚀定量评价

以位于黄土丘陵沟壑区的砖窑沟流域为试点，利用AnnAGNPS模型进行土壤侵蚀定量评价。采用流域8次径流事件监测数据进行模型检验，径流量和沉积物量的相对误差分别为10%和-10%，AnnAGNPS模型能够比较理想地模拟流域长期的径流量和沉积物量，并可应用于黄土丘陵沟壑区的径流流失和土壤侵蚀定量评价。采用2004年土地利用状况模拟分析了流域土壤侵蚀量及其空间分布，结果表明：该流域平均片蚀和细沟侵蚀强度为3508 t/(km²·a)，属中度侵蚀等级，黄土沟壑地的平均侵蚀强度最大，属极强度侵蚀等级；严重的沟道侵蚀显著增加了运移到流域出口的泥沙。     

多时间尺度小流域侵蚀产沙对土地利用/覆被格局的变化响应

为阐明多时间尺度小流域侵蚀产沙对土地利用/覆被格局的变化响应机制，该研究基于吕二沟流域1982-2020年逐日降雨、水沙实测资料和土地利用/覆被数据，综合运用 K-均值聚类法、多元回归分析等方法，从年际和年内月际2个时间尺度对比分析了不同土地利用/覆被格局下的流域侵蚀产沙变化及其与泥沙连通性指数的关系。结果表明：1）1982-2020年间，吕二沟流域由耕地为主体向农林草复合结构转变、泥沙连通性指数显著下降，可将整个研究期划分为1982-1985年、1986-1990年、1991-2000年和2001-2020年共4个阶段，分别对应土地利用/覆被格局Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。2）随着以林草地增加为主的土地利用/覆被变化，流域产流、产沙能力减弱。相较土地利用/覆被格局Ⅰ，土地利用/覆被格局Ⅳ的年均径流深显著降低；后期土地利用/覆被格局（Ⅲ和Ⅳ）下的汛期月产流产沙能力显著小于前期（土地利用/覆被格局Ⅰ）。3）基于月降雨量、月最大日降雨量和月侵蚀性降雨日数3个降雨指标，可将研究期内的汛期月降雨划分为4种类型：小雨量、弱侵蚀性的A型，中雨量、弱侵蚀性的B型，大雨量、中侵蚀性的C型，大雨量、强侵蚀性的D型；在大雨量中侵蚀性的C型降雨下，不同土地利用/覆被格局间的月际径流深和产沙模数均不存在显著差异。年际和月际尺度下，小流域产沙模数均与泥沙连通性指数呈指数递增关系，但C雨型下的关系减弱。研究为干旱半干旱区流域土地利用/覆被格局优化配置和功能提升提供科学依据。     

黄土高塬沟壑区典型流域水土流失监测发展历程及对策

通过对甘肃省庆阳市境内的南小河沟小流域和砚瓦川中流域历史时期水土流失观测内容和观测方法的系统总结,综合介绍研究流域实施水土流失监测和应用研究等方面取得的主要成果。同时,分析研究流域在水土流失监测站(网)建设、现有观测仪器设备性能及已获资料系列完整性等方面存在的问题,并提出对策,对建立数字流域型水土保持监测资料共享平台具有参考价值。     

黄土高原地区水蚀风蚀交错带土壤质量综合评价

 为揭示黄土高原水蚀风蚀交错带土壤质量变化规律和总体水平,通过敏感性分析、主成分分析和相关分析,确定了研究区的土壤质量评价最小数据集,并利用综合指标和最小数据集定量评价了植被演替和不同植被恢复类型对土壤质量的影响。结果表明,研究区土壤质量评价指标最小数据集为有机质、速效磷、蔗糖酶和真菌。随着退耕年限的增加,土壤质量综合指数并非简单地线性增加,而是在演替的前15a呈现下降趋势,15a后开始呈现增加的趋势,即表现出非正U型的变化。就不同植被恢复类型而言,研究区土壤质量的排序为:刺槐林地>农地>退耕草地>油松林地>沙蒿地>柠条灌木地>杨树疏林地。所确定的土壤质量评价指标最小数据集能够反映综合评价指标的信息,评价结果具有较好的代表性。总体而言,研究区土壤肥力仍属于较低水平。因此,研究区生态建设的任务仍很艰巨,有关植被建设中如何缩短植被演替早期阶段的土壤质量退化是值得探讨的科学问题。     

雨强和土地利用方式对黄土丘陵区水土流失的影响

为了更好掌握黄土丘陵区雨强和土地利用方式对水土流失的影响规律和机理,利用人工降雨模拟器,设计了5种雨强和4种土地利用方式的区组试验,对水土流失进行了定量研究。结果表明：雨强对不同土地利用方式的产流产沙都呈极显著的正效应,4种土地利用方式的地表平均产流产沙与雨强均呈幂函数显著增长趋势;5种雨强的平均地表产流量为林地＞休闲耕地＞栽培草地＞草地,平均产沙量分别为休闲耕地＞栽培草地＞草地＞林地,产流与产沙没有呈现完全的对应关系。如果没有林冠层、灌木层和枯枝落叶层对降雨的截留、阻滞和消弱,林地产流量高于其他土地利用方式,但具有良好的保土效果,而草地具有良好的保水和保土效果。     

黄土高原南部土地利用/覆被变化的土壤侵蚀效应

基于3S技术对黄土高原南部地区土地利用/覆被变化及空间分布格局进行了综合测评,同时应用通用土壤流失方程(USLE)定量研究了不同土地利用方式下的土壤侵蚀效应.研究表明,研究区1980-2005年共有1 123.80 km2耕地被用为城镇建设用地,建设用地面积净增了1 238.29 km2,林地、草地面积总量变化小,但局部地区流转特征显著;与此同时,该区土壤侵蚀模数从11.54 t/(hm2·a)增至13.81t/(hm2·a),1980和2005年黄土沟壑区侵蚀模数的峰值分别为1 708.52和1 584.69 t/(hm2·a).该区域土壤侵蚀效应与土地利用空间格局耦合性较强,林地、草地由于分布区域海拔高,坡度陡,侵蚀强烈,而地势低洼、平坦地区(建设用地、耕地、未利用地)的土壤侵蚀强度小.林地、草地的土壤侵蚀效应由于受到地形因素的影响,对降雨侵蚀因子增强的响应尤其明显.2005年该区林地和草地的平均侵蚀模数分别增加了2.34和7.32 t/(hm2·a),并且微度以上侵蚀等级的面积有所增加.